(57)【要約】【課題】水素ガスの充填圧力を過度に上昇させる必要がなく、しかも、冷却機構や加熱機構等を付設する必要もない水素貯蔵タンクを提供する。【解決手段】水素貯蔵タンク１０は、耐圧容器１２に水素吸着材１４が収容されて構成されている。この水素吸着材１４は、該水素吸着材１４自身が占める占有体積を超える体積の水素ガスを吸着保持することが可能である。また、この水素吸着材１４においては、吸着した水素ガスを放出する際の吸熱量が、水素分子１ｍｏｌ当たり１６ｋＪ以下である。なお、水素吸着材１４は、耐圧容器１２の内部に収容され、フィルタ１３によって該水素吸着材１４が耐圧容器１２の外部に漏出することが阻止されている。【選択図】図３
2006083898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に水素吸着材が収容され、水素ガスを、前記水素吸着材によって吸着するとともに、前記容器内における前記水素吸着材が占める空間以外の空間に収容する水素貯蔵タンクであって、
前記水素吸着材は、該水素吸着材の占有体積を超える体積の水素ガスを吸着可能であり、且つ吸着した水素ガスを放出する際の吸熱量が水素分子１ｍｏｌ当たり１６ｋＪ以下の物質であることを特徴とする水素貯蔵タンク。
【請求項２】
容器内に水素吸着材が収容され、水素ガスを、前記水素吸着材によって吸着するとともに、前記容器内における前記水素吸着材が占める空間以外の空間に収容する水素貯蔵タンクであって、
前記水素吸着材は、下記の式（１）を満たし、且つ吸着した水素ガスを放出する際の吸熱量が水素分子１ｍｏｌ当たり１６ｋＪ以下の物質であることを特徴とする水素貯蔵タンク。
Ｙ＞２×１０-4×Ｐ／（ρ*×ｚ×Ｒ×Ｔ）…（１）
ただし、Ｙは水素吸着材の重量に対する水素ガスの吸着割合（重量％）、Ｐは水素ガスの充填が終了した際の水素ガス圧力（ＭＰａ）、ρ*は水素吸着材の真密度（ｇ／ｃｍ3）、ｚは水素ガスの圧縮係数、Ｒは気体定数（８．３１４Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。
【請求項３】
請求項１又は２記載の水素貯蔵タンクにおいて、前記水素吸着材は、錯体、活性炭、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、グラファイト、ゼオライト又はメソポーラスシリケートのいずれかであることを特徴とする水素貯蔵タンク。
【請求項４】
請求項３記載の水素貯蔵タンクにおいて、前記水素吸着材は、金属−有機骨格構造体であることを特徴とする水素貯蔵タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を吸着保持することが可能な水素吸着材を容器内に収容した水素貯蔵タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年における環境保護への関心の高まりから、燃料電池を走行駆動源とする燃料電池車が着目されている。この場合、車両には、燃料電池の他、該燃料電池に供給される水素ガスを貯蔵した水素貯蔵タンクが搭載される。
【０００３】
この種の水素貯蔵タンクとしては、水素ガスを高い充填圧力で圧縮した状態で容器に貯蔵する高圧水素貯蔵タンクが例示される。高圧水素貯蔵タンクにおいては、充填圧力が大きければ大きいほど水素ガスの貯蔵量が大きくなり、このために燃料電池に供給可能な水素ガスの量が多くなる。従って、高圧水素貯蔵タンクでは、充填圧力を可能な限り大きくすることが希求され、この観点から、特許文献１において、充填圧力が約２５ＭＰａに到達する高圧水素貯蔵タンクが提案されている。
【０００４】
しかしながら、高圧水素貯蔵タンクの場合、水素ガスを一層圧縮しての充填量向上には、容器の耐圧向上に限界があるので充填圧力にも限界があることや、充填圧力を大きくすることに伴って充填に要するエネルギも大きくなること等の不都合がある。そこで、ＬａＮｉ5合金、Ｍｇ2Ｎｉ合金、Ｍｇ等の水素吸蔵合金を容器内に収容した水素吸蔵合金タンクが着目されている（例えば、特許文献２参照）。水素吸蔵合金は、その構造内に水素ガスを吸蔵し、且つ吸蔵した水素ガスを放出することが可能である。このため、充填圧力を、例えば、１ＭＰａ程度と高圧水素貯蔵タンクに比して著しく低い値に設定することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８８７９４号公報
【特許文献２】特開２００２−２５０５９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水素吸蔵合金に水素ガスを吸蔵させる際に起こる反応は発熱反応である。具体的には、ＬａＮｉ5合金、Ｍｇ2Ｎｉ合金、Ｍｇを使用した場合、２５℃で水素ガスを吸蔵させるためには、それぞれ、３０ｋＪ／ｍｏｌＨ2（Ｈ2１ｍｏｌ当たり３０ｋＪの意味を表す。以下同じ）、６４ｋＪ／ｍｏｌＨ2、７３ｋＪ／ｍｏｌＨ2という大きな熱量が発生する。その結果、該水素吸蔵合金を収容した容器の温度が上昇し、最終的に、水素吸蔵合金の水素の吸蔵が停止してしまうので、この熱を除去するための冷却機構が必要となる。
【０００７】
また、水素吸蔵合金から水素ガスを放出させる際に起こる反応は吸熱反応である。従って、例えば、上記のＬａＮｉ5合金の場合、３０ｋＪ／ｍｏｌＨ2の熱量を供給しなければならない。特に、燃料電池車においては、急加速や登坂時に必要な駆動力を得るべく水素ガスを迅速に燃料電池に供給する必要があり、このため、特許文献２に記載されているように、熱交換機構や熱輸送機能を付加する必要がある。
【０００８】
すなわち、水素吸蔵合金タンクを使用する場合、冷却機構や加熱機構等を付設しなければならず、このため、燃料電池システム全体の重量が著しく増加してしまうという不具合がある。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、水素ガスの充填圧力を過度に上昇させる必要がなく、しかも、冷却機構や加熱機構等を付設する必要もない水素貯蔵タンクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、容器内に水素吸着材が収容され、水素ガスを、前記水素吸着材によって吸着するとともに、前記容器内における前記水素吸着材が占める空間以外の空間に収容する水素貯蔵タンクであって、
前記水素吸着材は、該水素吸着材の占有体積を超える体積の水素ガスを吸着可能であり、且つ吸着した水素ガスを放出する際の吸熱量が水素分子１ｍｏｌ当たり１６ｋＪ以下の物質であることを特徴とする。
【００１１】
この場合、自身の占有体積を超える体積の水素ガスを吸着可能な物質を水素吸着材とするので、水素吸着材を収容しない場合に比して多量の水素ガスを容器内に貯蔵することができる。しかも、水素吸着材が水素ガスを吸着保持するので、充填圧力を過度に大きくすることなく水素ガスを貯蔵することができる。
【００１２】
そして、吸着した水素ガスを放出する際の吸熱量が水素分子１ｍｏｌ当たり１６ｋＪ以下であるので、水素ガスを充填する際や放出する際に周囲の雰囲気と熱を授受することによって、水素吸着材からの吸着・放出が進行する。このため、冷却設備や加熱設備等の付帯設備を設ける必要が特にない。従って、燃料電池システムの簡素化、小型化を図ることもできる。
【００１３】
また、本発明は、容器内に水素吸着材が収容され、水素ガスを、前記水素吸着材によって吸着するとともに、前記容器内における前記水素吸着材が占める空間以外の空間に収容する水素貯蔵タンクであって、
前記水素吸着材は、下記の式（１）を満たし、且つ吸着した水素ガスを放出する際の吸熱量が水素分子１ｍｏｌ当たり１６ｋＪ以下の物質であることを特徴とする。
Ｙ＞２×１０-4×Ｐ／（ρ*×ｚ×Ｒ×Ｔ）…（１）
ただし、Ｙは水素吸着材の重量に対する水素ガスの吸着割合（重量％）、Ｐは水素ガスの充填が終了した際の水素ガス圧力（ＭＰａ）、ρ*は水素吸着材の真密度（ｇ／ｃｍ3）、ｚは水素ガスの圧縮係数、Ｒは気体定数（８．３１４Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。
【００１４】
このように、充填時の温度と充填圧力とを設定することによっても、水素吸着材に自身の占有体積を超える体積の水素ガスを吸着保持させることができる。
【００１５】
水素吸着材の好適な例としては、錯体、活性炭、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、グラファイト、ゼオライト又はメソポーラスシリケートのいずれかを挙げることができる。
【００１６】
特に、錯体の場合、金属−有機骨格構造体は優れた水素ガス保持能を示すので好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、水素吸着材が該水素吸着材自身の占有体積を超える体積の水素ガスを吸着保持するので、充填圧力をさほど大きくすることなく、水素ガスを効率よく水素貯蔵タンクに貯蔵することができる。
【００１８】
しかも、水素ガスを吸着する際の発熱量や、放出する際の吸熱量が著しく小さい。このため、冷却機構や加熱機構等の付帯設備を特に設けることなく、水素ガスの吸着・放出を続行させることができる。従って、燃料電池システムの簡素化及び小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る水素貯蔵タンクにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る水素貯蔵タンク１０の全体概略縦断面図である。この場合、水素貯蔵タンク１０は円筒中空体である耐圧容器１２を有し、この耐圧容器１２の内壁上部には、フィルタ１３が固定されている。そして、耐圧容器１２の内部には、粉末の水素吸着材１４が収容されている。
【００２１】
フィルタ１３の目は水素吸着材１４の粒径に比して小さく設定されており、これにより、水素吸着材１４がフィルタ１３を通過して耐圧容器１２の外部に漏出することが阻止されている。
【００２２】
ここで、水素吸着材１４には、該水素吸着材１４の重量を真密度で除すことによって求められる占有体積を超える体積の水素ガスが物理的又は化学的に吸着される必要がある。水素吸着材１４は、耐圧容器１２内で、前記のように定義される占有体積分だけを占める。従って、吸着した水素ガスの体積を水素吸着材１４自身の占有体積に比して大きくすることにより、耐圧容器１２に充填し得る水素ガスの量を、水素吸着材１４を収容しない場合に比して大きくすることができるからである。
【００２３】
そのような水素吸着材１４の好適な例としては、該水素吸着材１４の重量を真密度で除すことによって求められる占有体積を超える体積の水素ガスを物理的又は化学的に吸着保持可能な物質であり、且つ吸着の際の発熱量が１６ｋＪ／ｍｏｌＨ2以下である物質が選定される。吸着の際の発熱量が１６ｋＪ／ｍｏｌＨ2以下である物質を選定することにより、吸着時に耐圧容器１２の温度が上昇することを抑制することができる。その一方で、水素ガスを放出させる際に必要な熱量が１６ｋＪ／ｍｏｌＨ2以下となるので、例えば、−３０℃という低温であっても水素を放出させることが可能となる。
【００２４】
また、常温及び常圧では自身の占有体積を超える体積の水素ガスを吸着保持することが困難な物質を水素吸着材１４として用い、温度と圧力を調整することによって、該物質自身の占有体積を超える体積の水素ガスを吸着保持させるようにしてもよい。
【００２５】
この場合の温度及び圧力は、以下のようにして設定することができる。すなわち、水素吸着材１４の占有体積をＶａ（ｍ3）、重量をＷａ（ｇ）、真密度をρ*×１０6（ｇ／ｍ3）とすると、上記の定義から、Ｖａ、Ｗａ、ρ*×１０6との間に次の式（２）が成り立つ。
Ｖａ＝Ｗａ／（ρ*×１０6）  …（２）
【００２６】
式（２）を変形すれば、次の式（３）が得られる。
Ｗａ＝Ｖａ×ρ*×１０6  …（３）
【００２７】
水素吸着材１４に吸着された水素ガスの吸着量をＨｗ（ｇ）、この水素ガスのＷａ（水素吸着材１４の重量）に対する割合をＹ（重量％）とすると、Ｈｗは、下記の式（４）によって求められる。
Ｈｗ＝Ｗａ×（Ｙ／１００）  …（４）
【００２８】
この式（４）に式（３）を代入すれば、次の式（５）が導出される。
Ｈｗ＝Ｖａ×ρ*×１０4×Ｙ  …（５）
【００２９】
水素分子は１ｍｏｌ当たり２ｇであるから、Ｈｗ（ｇ）の水素ガスのモル数Ｎａ（ｍｏｌ）はＨｗ／２である。これと式（５）から、次の式（６）が導出される。
Ｎａ＝Ｖａ×ρ*×５×１０3×Ｙ  …（６）
【００３０】
なお、水素ガスは、水素吸着材１４の各粉末の気孔や表面に吸着される。水素吸着材が占有する体積を除く体積をＶｇ（ｍ3）とし、この体積を有する水素ガスのモル数をＮｇとすると、下記の式（７）が成立する。
Ｐ×Ｖｇ＝Ｎｇ×ｚ×Ｒ×Ｔ  …（７）
【００３１】
式（７）中、Ｐ、Ｔは、それぞれ、耐圧容器１２に水素ガスの充填を終えた際の充填圧力（ＭＰａ）、温度（Ｋ）であり、ｚは後述する圧縮係数、Ｒは気体定数（８．３１４Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）である。
【００３２】
耐圧容器１２の内容積をＶ（ｍ3）とすると、Ｖ、Ｖｇ、Ｖａとの間にはＶｇ＝Ｖ−Ｖａの関係が成り立つ。従って、式（７）を変形してこの関係を代入すると、下記の式（８）が導出される。
Ｎｇ＝Ｐ×（Ｖ−Ｖａ）／（ｚ×Ｒ×Ｔ）  …（８）
【００３３】
一方、水素吸着材１４が収容されていない耐圧容器１２にＴ（Ｋ）、充填圧力Ｐ（ＭＰａ）で充填された水素ガスのモル数Ｎ０は、式（９）によって求められる。
Ｎ０＝Ｐ×Ｖ／（ｚ×Ｒ×Ｔ）  …（９）
【００３４】
水素吸着材１４の占有体積（Ｖａ）に相当する体積を占める水素ガスのモル数をＮ１（ｍｏｌ）とすると、Ｎ１＝Ｎ０−Ｎｇであるから、この関係式と式（８）、（９）より、式（１０）が導出される。
Ｎ１＝［ＰＶ／ｚＲＴ］−［Ｐ（Ｖ−Ｖａ）／（ｚＲＴ）］
＝ＰＶａ／ｚＲＴ  …（１０）
【００３５】
従って、次の関係式（１１）を満足させれば、水素吸着材１４によって吸着される水素ガスの体積が、水素吸着材１４の占有体積よりも大きくなる。
Ｖａ×ρ*×５×１０3×Ｙ＞ＰＶａ／ｚＲＴ  …（１１）
【００３６】
Ｖａは正であるから、式（１１）の両辺をＶａで除しても不等号の向きに変更はない。すなわち、式（１２）が成り立つ。
ρ*×５×１０3×Ｙ＞Ｐ／ｚＲＴ  …（１２）
【００３７】
この式（１２）をさらに変形すれば、上記の式（１）が導出される。
Ｙ＞Ｐ／（ρ*×５×１０3×ｚＲＴ）
＝２×１０-4×（Ｐ／ρ*ｚＲＴ）  …（１）
【００３８】
ｚは、上記したように圧縮係数であり、圧力と温度の関数である。水素ガスの場合、下記の式（１３）で近似される。
ｚ＝１＋Ｐ×（Ａ＋ＢＴ-1＋ＣＴ-2＋ＤＴ-3＋ＥＴ-4）  …（１３）
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはビリアル係数であり、水素ガスの場合、それぞれは次の定数である。
Ａ＝４．９３４８２×１０-5
Ｂ＝２．０４０３６×１０-2
Ｃ＝８．１５３３４×１０
Ｄ＝−６．５５６１×１０4
Ｅ＝４．５６５１６×１０6
【００３９】
このように、ｚは充填圧力Ｐと温度Ｔとの関数であり、ρ*は選定された水素吸着材１４に特有の既知数であるから、式（１）を満足するようにρ*、Ｐ、Ｔを設定すれば、該水素吸着材１４の占有体積を超える体積の水素ガスを吸着保持させることができる。
【００４０】
例えば、ρ*がそれぞれ１ｇ／ｃｍ3、１．７５ｇ／ｃｍ3、３ｇ／ｃｍ3である水素吸着材１４を温度３００Ｋで充填する場合、図２に示すように、充填圧力Ｐを横軸、水素ガス吸着割合Ｙを縦軸とするグラフに、Ｙ＝２×１０-4×Ｐ／（ρ*ｚＲＴ）の線を引く。式（１）を満足するのは、このグラフにおいて、線よりも上方の部分である。すなわち、例えば、２９ＭＰａの充填圧力仕様の水素高圧タンクにρ*が１．０ｇ／ｃｍ3である水素吸着材１４を収容する場合、該水素吸着材１４として、水素ガスの吸着割合が２．０重量％以上であるものを選定すればよい。また、２０ＭＰａの充填圧力仕様の水素高圧タンクにρ*が３．０ｇ／ｃｍ3である水素吸着材１４を収容する場合、水素ガスの吸着割合が０．５重量％以上であるものを選定すればよい。
【００４１】
なお、この場合においても、水素吸着材１４としては、吸着した水素ガスを放出する際の吸熱量が水素分子１ｍｏｌ当たり１６ｋＪ以下であるものが選定される。
【００４２】
水素吸着材１４は、このような物性を有する物質であれば特に限定されるものではないが、錯体、活性炭、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン、グラファイト、ゼオライト又はメソポーラスシリケート等を好適な例として挙げることができる。
【００４３】
このうちの錯体、特に、金属原子又は金属イオンを有機分子又は有機イオンが囲繞するように配位結合した金属−有機骨格構造体が好ましい。金属−有機骨格構造体は、ゲスト分子が存在しない場合であっても多孔性骨格構造を維持する。換言すれば、骨格構造が安定であり、この骨格構造内に水素分子を吸着することが可能である。
【００４４】
金属−有機骨格構造体の具体例としては、［Ｍ2（４，４’−ビピリジン）3（ＮＯ3）4］（ただし、ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｚｎのいずれか）、［Ｍ2（１，４−ベンゼンジカルボキシレートアニオン）2］（ただし、ＭはＣｕ、Ｚｎのいずれか）、［Ｆｅ2（トランス−４，４’−アゾピリジン）4（ＮＣＳ）4］等が挙げられる。
【００４５】
又は、米国特許出願公開２００３／４３６４号に記載されているように、その一般式がＭ4Ｏ（芳香族ジカルボキシレートアニオン）3で表される金属−有機骨格構造体であってもよい。なお、Ｍの好適な例としては、Ｚｎや遷移金属が挙げられる。そして、芳香族ジカルボキシレートアニオン誘導体を芳香族ジカルボキシレートアニオンに代替するようにしてもよい。
【００４６】
この場合、芳香族ジカルボキシレートアニオン又はその誘導体の好適な例としては、１，４−ベンゼンジカルボキシレートアニオン、２−ブロモ−１，４−ベンゼンジカルボキシレートアニオン、２−アミノ−１，４−ベンゼンジカルボキシレートアニオン、２，５−プロピル−１，４−ベンゼンジカルボキシレートアニオン、２，５−ペンチル−１，４−ベンゼンジカルボキシレートアニオン、シクロブテン−１，４−ベンゼンジカルボキシレートアニオン、１，４−ナフタレンジカルボキシレートアニオン、２，６−ナフタレンジカルボキシレートアニオン、４，４’−ビフェニルジカルボキシレートアニオン、４，５，９，１０−テトラヒドロピレン−２，７−ジカルボキシレートアニオン、ピレン−２，７−ジカルボキシレートアニオン、４，４”−テルフェニルジカルボキシレートアニオン等が挙げられる。各々の構造式は、下記の通りである。
【００４７】
【化１】
2006083898.tif 000003
【００４８】
【化２】
2006083898.tif 000004
【００４９】
【化３】
2006083898.tif 000005
【００５０】
【化４】
2006083898.tif 000006
【００５１】
【化５】
2006083898.tif 000007
【００５２】
【化６】
2006083898.tif 000008
【００５３】
【化７】
2006083898.tif 000009
【００５４】
【化８】
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【００５５】
【化９】
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【００５６】
【化１０】
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【００５７】
【化１１】
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【００５８】
【化１２】
2006083898.tif 000014
【００５９】
上記したような水素吸着材１４を収容したり、充填圧力及び温度を設定したりすることにより、水素吸着材１４が収容されない場合に比して多量の水素ガスを貯蔵することができる。
【００６０】
また、水素吸着材１４は、水素ガスを吸着するときの発熱量、及び吸着した水素ガスを放出する際の吸熱量が水素分子１ｍｏｌ当たり１６ｋＪ以下である物質であるので、水素ガスを吸着する際の温度上昇や、放出する際の温度降下が比較的小さい。このため、水素貯蔵タンク１０を加熱するための加熱機構や、冷却するための冷却機構を設ける必要がない。換言すれば、燃料電池システムの構成機器を従来技術に比して少なくすることができ、結局、燃料電池システムの簡素化及び小型化を図ることができる。
【００６１】
なお、水素貯蔵タンク１０を実用に供する際、開口部にバルブが設置されることはいうまでもない。
【実施例１】
【００６２】
はじめに、米国特許出願公開２００３／４３６４号の記載に従い、結晶性の金属−有機骨格構造体であるＺｎ4Ｏ（２，６−ナフタレンジカルボキシレートアニオン）3を合成した。すなわち、先ず、１．２ｇの２，６−ナフタレンジカルボン酸と、１１ｇのＺｎ（ＮＯ3）2・４Ｈ2Ｏとを、密閉容器中で１０００ｍｌのジエチルホルムアルデヒド（ＤＥＦ）に溶解した。この溶液を、密閉溶液中、９５℃で２０時間加熱して、反応生成物を得た。
【００６３】
この反応生成物をろ過によって分離し、ＤＥＦで洗浄して、Ｚｎ4Ｏ（２，６−ナフタレンジカルボキシレートアニオン）3・（ＤＥＦ）6を得た。
【００６４】
この物質を室温でクロロホルム中に２４時間浸漬することによってＤＥＦをＣＨＣｌ3に置換した後、真空引きによってＣＨ3Ｃｌを除去して、Ｚｎ4Ｏ（２，６−ナフタレンジカルボキシレートアニオン）3とした。
【００６５】
以上の操作を繰り返し、最終的に、６０ｇのＺｎ4Ｏ（２，６−ナフタレンジカルボキシレートアニオン）3を得た。
【００６６】
得られたＺｎ4Ｏ（２，６−ナフタレンジカルボキシレートアニオン）3につき、高圧水素ＤＳＣ法に基づいて、水素ガス１ｍｏｌを吸着させる際の発熱量と、水素ガス１ｍｏｌを放出させる際の吸熱量を測定したところ、８ｋＪ／ｍｏｌＨ2であった。
【００６７】
また、ジーベルツ法に基づいて水素吸着割合を求める一方、Ｈｅオートピクノメータを使用して真密度を測定したところ、それぞれ、１．２重量％（１５ＭＰａ時）、１．７５ｇ／ｃｍ3であった。さらに、窒素の吸着等温線からＢＥＴ法によって比表面積を求めたところ、１０００ｍ2／ｇであった。
【００６８】
以上の物性を有するＺｎ4Ｏ（２，６−ナフタレンジカルボキシレートアニオン）3の５０ｇを、ＳＵＳ３０４製の内容積１００ｃｍ3、耐圧圧力２０ＭＰａの耐圧容器１２に、第１熱電対〜第３熱電対が２０℃を示す大気雰囲気中で、フィルタ１３とともに耐圧容器１２に収容し、図１に示す水素貯蔵タンク１０を構成した。
【００６９】
次に、図３に示すように、この水素貯蔵タンク１０を含む水素ガス放出量測定システム（以下、単に測定システムともいう）２０を構築した。この測定システム２０には、水素貯蔵タンク１０の他、該水素貯蔵タンク１０に水素ガスを供給するための水素ボンベ２２と、測定システム２０の排気を行う真空ポンプ２４とが組み込まれ、水素貯蔵タンク１０と水素ボンベ２２には第１配管２６が橋架されており、真空ポンプ２４はこの第１配管２６から分岐された第２配管２８に接続されている。
【００７０】
水素貯蔵タンク１０の下部及び上部には、第１熱電対３０及び第２熱電対３２がそれぞれ設置されている。なお、図３中、参照符号３４は、大気の温度を測定する第３熱電対を示す。
【００７１】
水素ボンベ２２から水素貯蔵タンク１０に橋架された第１配管２６には、水素ボンベ２２側から、レギュレータ３６、圧力計３８、マニュアルバルブ４０が介装されており、また、第１配管２６から分岐した第２配管２８には、真空ポンプ２４側から、自動バルブ４２、マスフローメータ４４、ニードルバルブ４６、レギュレータ４８、マニュアルバルブ５０が介装されている。そして、第１配管２６と第２配管２８との連結部には、圧力計５２が設置されている。
【００７２】
この測定システム２０を用いて、水素ボンベ２２から供給された水素ガスを水素貯蔵タンク１０に貯蔵した後、該水素ガスを放出することにより、水素貯蔵タンク１０の水素ガス貯蔵量を測定する。
【００７３】
水素ガスを貯蔵する前に、先ず、測定システム２０の系内を排気する。すなわち、真空ポンプ２４を付勢した後、マニュアルバルブ４０、５０を開き、次に自動バルブ４２を開いて、第１配管２６及び第２配管２８内の真空引きを行う。圧力計３８、５２が１０-3Ｔｏｒｒを示したら、マニュアルバルブ４０、５０、自動バルブ４２を閉じ、真空引きを停止する。
【００７４】
次に、レギュレータ３６を充填圧力に設定してマニュアルバルブ４０を開き、これにより、水素ボンベ２２から水素貯蔵タンク１０に水素ガスを供給する。この場合、水素貯蔵タンク１０には、速やかに充填圧力が１５ＭＰａの水素ガスが貯蔵され、この状態で１時間保持した。
【００７５】
ここで、本実施例では、レギュレータ３６の設定圧、すなわち、充填圧力を１５ＭＰａに設定し、且つ水素充填温度を２０℃（２９３Ｋ）に設定した。上記したように、水素吸着材１４の１５ＭＰａにおける水素吸着割合が１．２重量％、真密度ρ*が１．７５ｇ／ｃｍ3であることから、図４を参照すれば、水素吸着材１４が式（１）を満足する材料であることが分かる。
【００７６】
この充填の際、第１熱電対３０及び第２熱電対３２によって温度が約１５℃上昇して３５℃程度になったことが認められたが、充填が終了して３分程度で元の２０℃まで低下した。
【００７７】
次に、真空ポンプ２４を付勢し、自動バルブ４２を開いた。その後、マニュアルバルブ５０を開き、水素貯蔵タンク１０内の水素ガスを放出させた。放出された水素ガスにつき、レギュレータ４８とニードルバルブ４６によって圧力を０．１ＭＰａに減じてマスフローメータ４４に導入し、流量と積算流量を測定した。積算流量の増加が認められなくなった時点を水素ガス放出完了とし、マニュアルバルブ５０及び自動バルブ４２を閉じて真空ポンプ２４を停止した。積算流量と温度変化のそれぞれをグラフにして、図５及び図６に示す。図５から、積算流量（放出量）は１９．０リットルであった。
【００７８】
なお、図６中で各温度曲線に付した参照符号は、温度を測定した熱電対の参照符号に対応する。すなわち、３０、３２、３４の温度曲線は、それぞれ、第１熱電対３０によって測定された水素貯蔵タンク１０の下部の温度、第２熱電対３２によって測定された水素貯蔵タンク１０の上部の温度、第３熱電対３４によって測定された大気の温度である。
【００７９】
そして、この図６から諒解されるように、水素ガスの放出開始直後に第１熱電対３０及び第２熱電対３２によって測定される温度が低下した。この温度低下は、水素ガス放出に伴う断熱膨張によるものである。
【００８０】
温度降下は、水素ガスを放出している間においても認められる。水素吸着材１４からの水素ガスの放出は吸熱反応であり、水素貯蔵タンク１０の周囲の雰囲気から熱が奪われたためである。
【００８１】
しかしながら、図５及び図６の双方から、温度降下が起こった後も水素ガスが放出されていることが認められる。すなわち、本実施の形態によれば、水素貯蔵タンク１０の近傍に加熱機構を付設することなく、室温においても水素ガスの放出を続行させることができる。
【比較例１】
【００８２】
耐圧容器１２に水素吸着材１４を収容しなかったことを除いては実施例に準拠して、温度２０℃において、充填圧力を１５ＭＰａとして耐圧容器１２に水素ガスを充填した後、水素ガスを放出した。この場合の積算流量は１３．５リットルと、実施例に比して小さくなった。
【比較例２】
【００８３】
原子％で組成がＬａＮｉ5となるようにＬａ粉末、Ｎｉ粉末を秤量し、全体で１００ｇの混合粉末とした。この混合粉末を高周波で溶解し、インゴットを作製した。このインゴットに対して１０５０℃で４８時間の熱処理を施し、１００メッシュアンダーに粉砕して、水素吸蔵合金であるＬａＮｉ5を得た。
【００８４】
このＬａＮｉ5においては、高圧水素ＤＳＣ法による水素ガス１ｍｏｌを吸着させる際の発熱量（水素ガス１ｍｏｌを放出させる際の吸熱量）が３０．１ｋＪ／ｍｏｌＨ2、ジーベルツ法による水素吸着割合が１．２重量％（１５ＭＰａ時）、アルキメデス法による真密度が７．５ｇ／ｃｍ3であった。
【００８５】
このＬａＮｉ5の５０ｇを、実施例と同一温度下で同一寸法の耐圧容器１２に収容して水素吸蔵合金タンクを構成した後、該水素吸蔵合金タンクに１５ＭＰａの充填圧力で水素ガスを充填した。この際、第１熱電対３０及び第２熱電対３２によって測定される水素貯蔵タンク１０の温度が約１００℃程度上昇し、およそ１２０℃に到達した。このため、小型ファンで冷却したところ、２０℃まで冷却するのに１時間を要した。
【００８６】
次に、実施例に準拠してこの水素吸蔵合金タンクから水素ガスを放出した。この際の積算流量と温度変化とを図７及び図８にそれぞれ示す。この場合、図７における積算流量は、１５．９リットルであった。
【００８７】
一方、図８から諒解されるように、この場合、水素ガスの放出直後に水素ガス放出に伴う断熱膨張によって水素貯蔵タンク１０の温度が低下し、以後はさほど上昇することはなく、さらなる水素ガスの放出に伴って急激に低下した。この温度降下に伴い、水素吸蔵合金からの水素ガスの放出が停止した。なお、図８中の参照符号は、図６と同様に、温度を測定した熱電対の参照符号に対応する。
【００８８】
以上の実施例、比較例１、２の積算流量を図９に併せて示す。この図９から、本実施の形態に係る水素貯蔵タンク１０が、付帯設備を特に必要とすることなく最も多量の水素ガスを放出することができることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本実施の形態に係る水素貯蔵タンクの概略縦断面図である。
【図２】充填圧力Ｐと、水素吸着材における水素吸着割合Ｙとの関係を示すグラフである。
【図３】図１の水素貯蔵タンクに水素ガスを充填して放出させる測定システム２０の概略構成図である。
【図４】充填圧力Ｐと、水素吸着材における水素吸着割合Ｙとの関係を示すグラフである。
【図５】実施例の水素貯蔵タンクから水素ガスを放出した際の時間と積算流量との関係を示すグラフである。
【図６】実施例の水素貯蔵タンクから水素ガスを放出した際の耐圧容器の温度変化を示すグラフである。
【図７】比較例２の水素吸蔵合金タンクから水素ガスを放出した際の時間と積算流量との関係を示すグラフである。
【図８】比較例２の水素吸蔵合金タンクから水素ガスを放出した際の耐圧容器の温度変化を示すグラフである。
【図９】実施例、比較例１、２における積算流量を対比して示す図表である。
【符号の説明】
【００９０】
１０…水素貯蔵タンク              １２…耐圧容器
１３…フィルタ                    １４…水素吸着材
２０…測定システム                ２２…水素ボンベ
２４…真空ポンプ                  ２６、２８…配管
３０、３２、３４…熱電対
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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